便携式温棚数据监测系统设计

孙振华 张 超* 李小强 柳忠艳

(1、中国矿业大学银川学院,宁夏 银川750021 2、宁夏机械研究院(有限公司),宁夏 银川750021)

1 概述

现代的生活中，许多发展情况都对环境的温、湿度及光照强度等参数有较严格的要求，因此必须在某些特定工作环境安装报警器对环境的温湿度数据进行管理监控和调节。为此，以温棚的温、湿度，CO2浓度及光照强度为背景，设计一个实时监测和调节温、湿度，CO2浓度及光照强度的监测系统，以达到可准确快速的感知和调整环境参数的目的，而且我们可以通过实时记录报警信息，减轻劳动者的负担，并可广泛应用于生活条件恶劣、人员不便进入的场合。

温、湿度，CO2浓度及光照强度的数据采集控制具有十分广泛的应用研究领域以及一些对温、湿度，CO2浓度及光照强度比较敏感的工业生产现场，都需要对温、湿度、CO2浓度及光照强度有可以准确的采集和迅速的控制。然而安装、便携性等问题都使得控制不那么容易，本文旨在提高温室大棚参数分析的准确性及外观结构优化设计的便携性。

2 系统总体设计

2.1 系统功能设计

为了完成温室大棚数据监测系统的设计功能，首先采集温、湿度，CO2浓度及光照强度等参数，并通过建立的数学模型对数据进行预处理及分析，以达到对比预测和超越报警的功能。现场检测设备须具备安装简单、轻巧便捷的能力，且对于检测设备的传感器应具有较高的灵敏度和可靠性。

2.2 系统硬件设计

便携式温棚数据监测系统以单片机微控制器为核心元件，通过加入温度传感器、湿度传感器，CO2浓度测量传感器及光照强度测量传感器，将其作为数据收集元件，并引入控制系统、报警系统和液晶显示系统，共同构成温棚数据监测系统，系统组成如图1所示。

图1 温棚数据监测系统的组成

便携式温棚数据监测系统中的数据采集、数据处理、数据分析、数据预测、系统控制、系统报警和系统内容显示等过程都要通过单片机处理。其中，数据信息采集主要通过温度传感器、湿度传感器，CO2浓度测量传感器及光照强度测量传感器来完成，当采集或输入好的数据输入单片机时，单片机将会通过建立好的模型对数据进行预处理，预处理完成后，将被处理结果代入本文所建立的模型进一步分析，并与正常范围进行对比并预测结果。当得出的结果超越正常范围时，控制系统进行反馈，报警系统开始工作，在此过程中，液晶显示系统始终在运行。

2.3 系统软件设计

便携式温棚数据监测系统的软件设计主要由主程序和采集系统、控制系统、显示系统、键盘系统、报警系统等子程序组成。为提高系统程序编写质量和移植性，且满足本文模块化设计的要求，所以本文所设计的系统软件采用C语言来编写程序，并在Keil 4版本软件的开发环境中进行编译。主程序开始运行时，传感器和液晶显示屏幕等硬件开始初始化及子程序的开始调用，便携式系统软件设计程序流程图如图2所示。

在图2所示流程图中，数据信息采集与A/D转换子程序可以根据用户输入相关参数对相应的模拟控制信号系统进行采样、量化及处理，并将相应信号的数值返回主程序。报警子程序主要控制异常情况下的报警信号。如当室内环境温度不断升高超过设定值时，报警系统装置会发出警报信号，同时通过点亮相应的指示灯(报警指示灯由显示子程序来完成)，以引起劳动者及管理人员的注意。

图2 程序流程图

2.4 温棚数据分析模型的建立

2.4.1 采集数据的的异常检测

一般情况下，传感器采取到的数据可以直接使用，为防止异常显示，提高数据分析的准确性，本文在温棚数据监测系统中引入了基于聚类的异常值检测。

首先将所有样本按照一定的聚类方法进行聚类，聚类假设为k类：C1，C2，…，CK

对于每个对象p，计算该对象到每个类之间的距离d（p，Ci）

然后计算每个对象p的异常得分

最后进行一个奇异值的标定，若OF（p）≥平均值+标准差，则为奇异值。并且取β=1.258 。

2.4.2 建立监控参数分析的数学模型

将温度、湿度、CO2浓度和光照强度等数据作为自变量x1，x2，…，xp，则其对应的观测值为xi1，xi2，…，xip，以及因变量y对应的观测值yi满足

其中，ε1，ε2，…，εn为相互独立且呈正态分布N（0，σ2）的随机变量。

根据最小二乘法，由n组观测值（xi1，xi2，…，xip，yi）确定参数β0和β1，β2，…，βp的估计值b0和b1，b2，…，bp后，得到估计式

通过对所采集的温、湿度，CO2浓度及光照强度的数据信息进行预处理后，代入（3）所建立的多元线性回归模型中，单片机系统将会通过建立好的模型对采集的数据进行分析，与正常数值范围进行对比并预测，最后得出的结果。该模型由多个自变量的最优组合来共同估计因变量，使运算分析结果更有效，更符合实际。

3 外观结构设计

便携式温棚数据监测系统外观结构由箱体、操作面板和伸缩支架三部分组成。箱体主要使用3D打印技术制作，采用合页卡扣连接，结构相对简单、轻便小巧，极大程度保护元器件。箱体展开时，方便仪器测量；箱体闭合时，体积小巧，便于携带。操作面板采用左右两页分离式设计，在操作过程中互不干扰。伸缩支架可拆卸，相互独立，占地面积小，方便工作者安装携带。外观结构设计如图3所示。

图3 外观结构设计

便携式温棚数据监测系统结构除手握和悬挂外，还可以用支架连接安装，在支架上端加入自由旋转自锁式平台，可以保证箱体可以自由调整角度，在自锁之后，可以固定调整角度。在可伸缩拉杆下端加入三角稳定支架，从而极大程度可以保证箱体的稳定性。并且加入防滑脚垫和磁吸式自合机构，极大程度解放双手。

便携式温棚数据监测系统外观结构简洁，有较高的实用性。分模块化设计，且解决了传统温棚数据监控机构的体积大、安装难的问题。进一步使温棚数据监测系统得到真正普及，为助力现代农业发展提出了一种新的构想。

4 结论

本设计从便携式温棚数据监测系统入手，综合分析其系统结构的可移植性，并通过建模和渲染实现了便携式温棚数据监测系统的最终设计。完成了基于单片机的温棚数据管理监控系统的开发及对系统结构便携性的设计。进一步使温棚数据监测系统可以得到真正普及，为助力现代农业经济发展提出了一种新的构想。